电子探针、扫描电镜显微分析2

图8-12 电子探针结构的方框图

2.4.1 电子光学系统

电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、消像散器和扫描线圈等。其功能是产生一定能量的电子束、足够大的电子束流、尽可能小的电子束直径，产生一个稳定的X 射线激发源。

2.4.1.1 电子枪

电子枪是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。它的主要作用是产生具有一定能量的细聚焦电子束(探针)。从加热的钨灯丝发射电子，由栅极聚焦和阳极加速后，形成一个10μm ～100μm 交叉点（Crossover)，再经过二级会聚透镜和物镜的聚焦作用，在试样表面形成一个小于1μm 的电子探针。电子束直径和束流随电子枪的加速电压而改变， 加速电压可变范围一般为1kV ～30kV 。

2.4.1.2 电磁透镜

电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠近电子枪的透镜称会聚透镜，会聚透镜一般分两级，是把电子枪形成的10μm －100μm 的交叉点缩小1－100倍后，进入样品上方的物镜，物镜可将电子束再缩小并聚焦到样品上。为了挡掉大散射角的杂散电子，使入射到样品的电子束直径尽可能小，会聚透镜和物镜下方都有光阑。

为了在物镜和样品之间安置更多的信号探测器，如二次电子探测器、能谱仪等，必须有一定的工作距离( 物镜底面和样品之间的距离)。工作距离加长必然会使球差系数增大，从而使电子束直径变大，如果电子束几何直径为dg, 由于球差系数的影响，最终形成的电子束

直径d 应为：d 2＝dg 2＋ds 2，ds 为最小弥散圆直径，它和球差系数Cs 的关系为:

ds ＝2

1Cs 2α (8·2) α为探针在试样表面的半张角。因此，增加工作距离受到球差的限制。为了解决这一矛盾，设计了一种小物镜，是这类仪器的一项重要改进。小物镜可以在不增加工作距离的情况下，在物镜和样品之间安放更多的信号探测器，如JCXA －733电子探针，工作距离为11mm ，可同时安装四道波谱仪(WDS)，一个能谱仪，一个二次电子探测器和一个背散射电子探测器，并使X 射线出射角增加到40°。高出射角减小了试样对X 射线的吸收和样品表面粗糙所造成的影响，但小物镜要获得足够的磁场必须在其线圈内通以大电流，为了解决散热问题要进行强制冷却，一般用油冷却。

2.4.1.3 消像散线圈

当电子光学系统中磁场或静电场不称轴对称时，会产生像散，使原来应该呈圆形交叉点变为椭圆。磁场不对称产生的像散，主要靠透镜极靴的加工精度来消除或减小。静电场不对称是由于光路污染引起的，污染物产生局部静电场，此静电场随污染程度变化。为了消除像散，用消像散线圈是有效的，它可以产生一个与引起像散方向相反、大小相同的磁场来消除像散。常用的消像散线圈是八极电磁型。经常清洗电子光路，可以减小像散引起的图象崎变。

2.4.1.4 扫描线圈

扫描线圈由双偏转线圈组成，可以使电子束在样品和显象管上同步扫描。显象管所观察到的图象，与电子束在样品表面扫描区域相对应。图象的放大倍率为显象管扫描尺寸与样品扫描尺寸之比。

2.4.2 X 射线谱仪

2.4.2.1 波长色散谱仪

X 射线谱仪的性能，直接影响到元素分析的灵敏度和分辨本领，它的作用是测量电子与样品相互作用产生的X 射线波长和强度。谱仪分为二类:一类是波长色散谱仪(WDS)，一类是能量色散谱仪(EDS)。

众所周知，X 射线是一种电磁辐射，具有波粒二象性， 因此可以用二种方式对它进行描述。如果把它视为连续的电磁波，那么特征X 射线就能看成具有固定波长的电磁波，不同元素就对应不同的特征X 射线波长，如果不同X 射线入射到晶体上，就会产生衍射，根据Bragg 公式： 2dsin θ＝n λ (8·3)

可以选用已知面间距d 的合适晶体分光，只要测出不同特征射线所产生的衍射角2θ，就可以求出其波长λ，再根据公式(8·1)就可以知道所分析的元素种类，特征X 射线的强度是从波谱仪的探测器(正比计数管)测得。根据以上原理制成的谱仪称为波长色散谱仪(WDS)。

谱仪的分析原理如图8-13。

图8－13 X 射线分光原理

图中以R 为半径的圆称为Rowlend 圆，也称聚焦圆(对X 射线聚焦)。电子束入射到样品S 表面时，会产生反应样品成分的特征X 射线，特征X 射线经晶体分光聚焦后，被X 射线计数管接收，如果样品照射点到晶体的距离为L ，则L=2Rsin θ,再由Bragg 公式2dsin θ=n λ则得

L=d

R n λ (8·4) 因为d (分光晶体面间距)和R(罗兰圆半径：JCXA －733电子探针为140mm))均为常数。n 为特征X 射线衍射级数，因此，晶体沿L 直线运动时(L 改变)就可以测出不同元素所产生的特征X 射线波长λ,称这种谱仪为直进式波谱仪。

不同波长的X 射线要用不同面间距的晶体进行分光， 日本电子公司的电子探针通常使

用的四种晶体面间距及波长检测范围见表1。

表中STE[Pb(C18H35O2)2]为硬脂酸铅，TAP(C8H5O4TI)为邻苯二甲酸氢铊，PET(C5H12O4)为异戊四醇，LiF为氟化锂晶体。

X射线测定过程如图8－14，由分光晶体产生的X射线进入正比计数管，正比计数管出来的信号进入前置放大器（Preamp）和主放大器（AMP），并在单道分析器（SCA）中进行脉冲高度分析，单道分析器的输出脉冲送双道计数器计数，单道分析器及速率表的输出信号经过图像选择器(IMS)在CRT上显示出一维(线轮廓)或二维(X射线像)的X射线强度分布。

图8－14X射线测定系统方块图

2.4.2.2 能量色散谱仪

如果把X射线看成由一些不连续的光子组成，光子的能量为E＝ｈν，ｈ为普朗克常数，ν为光子振动频率。不同元素发出的特征X射线具有不同频率，即具有不同能量，当不同能量的X射线光子进入锂漂移硅[Si(Li)]探测器后，在Si(Li)晶体内将产生电子－空穴对，在低温（如液氮冷却探测器）条件下，产生一个电子－空穴对平均消耗能量ε为3.8eV。能量为E的X射线光子进入Si(Li)晶体激发的电子－空穴对N＝E/ε,入射光子的能量不同，所激发出的电子－空穴对数目也不同，例如，Mn Kα能量为5.895keV,形成的电子－空穴对为1550个。探测器输出的电压脉冲高度，由电子－空穴对的数目N决定，由于电压脉冲信号非常小，为了降低噪音，探测器用液氮冷却，然后用前置放大器对信号放大，放大后的信号进入多道脉冲高度分析器，把不同能量的X射线光子分开来，并在输出设备（如显像管）上显示出脉冲数—脉冲高度曲线，纵坐标是脉冲数，与所分析元素含量有关，横坐标为脉冲高度，与元素种类有关，这样就可以测出X射线光子的能量和强度，从而得出所分析元素的种类和含量，这种谱仪称为能量色散谱仪(EDS)，简称能谱仪。